風光接入下水電機組調節(jié)性能評價方法

汪磊 汪沛 章芳情 郭江

摘 要：風電、光伏在電網中占比越來越高，到2050年，風光總裝機容量預計將占全國電源的70%，為保障風光接入后電網穩(wěn)定運行，需借助水電資源進行消納。但風光電的波動性需水電機組頻繁參與調節(jié)，會導致水電機組調節(jié)動態(tài)特性發(fā)生變化。為量化評估風光接入下水電機組調節(jié)性能，構建了能反映水電機組調節(jié)性能的指標體系，借助模糊綜合評價法客觀綜合評價風光接入下水電機組調節(jié)性能。所提方法可為風光新能源并網提供理論支撐，更好地助力水風光多能互補領域的發(fā)展。

關鍵詞：水風光多能互補；水電機組；調節(jié)性能；模糊綜合評價法

中圖分類號：TK73；TK01 文獻標志碼：A

0 引 言

“雙碳”背景下，新能源的發(fā)展成為重中之重。我國風光資源豐富，其中，在我國東北、華北、西北地區(qū)，分布著80%的風電資源；而北部、西部地區(qū)，分布著85%的光電資源。2030年，我國風光的總裝機容量將占全國電源的38%，2050年，占比會升至70%，風光資源將成為電網發(fā)電的主力軍。風電和光電具有較強的不穩(wěn)定性和波動性，其大規(guī)模并網給電網穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。

水、風、光具有天然互補性，不同于其他國家，我國水電資源豐富，蘊藏量理論上達676 GW，水電裝機容量一直穩(wěn)居世界第一，但徑流和地形條件使其進一步開發(fā)受到制約，另外，風光資源在電網中占比的提升使得水電從以前的電源提供者角色逐步轉化為電源提供和電源調節(jié)并重的角色。目前，我國在長江上游、西南集中建設了超大體量的水電基地，足以匹配風光裝機容量。且水電具有運行靈活、啟停迅速的特點，能發(fā)揮填谷、調峰等功能，對維持電網頻率、電壓穩(wěn)定具有重要作用。

風光并入電網產生了對水電調節(jié)靈活性的需求，而水電機組頻繁參與調節(jié)，會導致機組運行疲勞，進而產生轉輪裂紋等損傷；另外，風光的不穩(wěn)定性會導致水電機組調節(jié)動態(tài)特性發(fā)生變化，因此，評估風光接入后水電機組調節(jié)性能是保證電網安全穩(wěn)定運行的重要前提。國內外學者對風光接入的水電機組調節(jié)能力評價進行了較多研究。尚欣[1]通過構建水電機組經濟性指標、穩(wěn)定性指標、安全性指標綜合評價水電機組性能。郭定宇[2]從指標曲線相似度和開機狀態(tài)指標兩個方面對水電機組開機進行綜合評價。程遠楚等[3]對水電機組參與一次調頻的性能進行綜合評價，并重點從一次調頻穩(wěn)定性和響應速度方面進行評價指標的構建。申建建等[4]構建了靈活性下調不足期望、下調不足概率、下調裕量期望、上調不足期望等6個水風光系統(tǒng)靈活性量化指標，并考慮了機組特性、來水情況等不同條件下水風光系統(tǒng)靈活性的變化。但這些研究均針對水電機組本身或水風光系統(tǒng)整體進行評價[5-8]，并沒有針對風光接入特定條件下水電機組調節(jié)性能的評價，故在水風光多能互補的背景下，構建風光接入下水電機組調節(jié)性能評價體系至關重要[9-10]。

1 評價指標

為全面綜合評估風光接入下水電機組調節(jié)性能，從水電機組波動率、爬坡率、最短啟停時間、響應時間、最大波動幅度、機組額定容量、一次調頻響應速度、一次調頻穩(wěn)定性、超調量、水頭損失等方面進行評價指標的構建[11-13]。

（1）水電機組波動率

式中：n為離散時間序列{ti}的總數(shù)；γi為水電機組出力在ti時刻的變化量；FR為波動率，其值越大代表振蕩越大，穩(wěn)定性越差，反之則穩(wěn)定性越好。

對于爬坡事件R（i，j），對任意Pe，e∈（i，j），且任意Pi-1、Pj+1，均滿足R（i-1，j）=0且R（i，j+1）=0。

爬坡事件可表示為

（2）水電機組爬坡率

爬坡率表示單位時間內機組出力變化，用RR表示。

爬坡次數(shù)用N表示。

一次爬坡可表示為

式中：Pj-Pi和tj-ti分別為第m次爬坡的幅值和時長。

（3）水電機組最短啟停時間

最短啟停時間為機組啟停一次所需最短時間，用tmin表示。

式中：tsj和tsi分別為機組停機時刻和機組啟動時刻。

（4）水電機組響應時間

響應時間是指機組對系統(tǒng)發(fā)出命令的響應時間，用tR表示。

式中：tRj和tRi為表示機組響應時刻和命令發(fā)出時刻。

（5）水電機組最大波動幅度

最大波動幅度為機組波動最大幅值，用A表示。

式中：Pmax和Pmin分別為波動的極大值和極小值。

（6）水電機組調速器一次調頻響應速度

水電機組調速器的動態(tài)響應時間為

式中：bt是暫態(tài)轉差系數(shù)；bp是永態(tài)轉差系數(shù)；Td是緩沖時間常數(shù)。

（7）水電機組一次調頻穩(wěn)定性

一次調頻穩(wěn)定性用出力保證系數(shù)α表示。

式中：P0為頻率沒穩(wěn)定在50±0.05 Hz范圍的初始出力；P是頻率沒穩(wěn)定在50±0.05 Hz范圍后15～45 s的自動采樣出力；Pr是機組額定出力；f是頻率沒穩(wěn)定在50±0.05 Hz范圍后15～45 s的采樣頻率；fr是機組額定頻率；Δfsq是一次調頻死區(qū)，當f＜50 Hz時，為正，反之為負。

（8）水電機組超調量

式中：σ 為超調量；ξ為阻尼比。

（9）水電機組水頭損失

式中：n為等截面段數(shù)；m為局部阻力數(shù)。

2 評價體系構建

運用模糊綜合評價法確定指標權重，根據權重和指標值計算得到評價值[14-15]。模糊綜合評價法基于關鍵因素或指標確定評價集合，為每個評價指標確定其屬性的取值范圍，即評價集合；根據評價集合構建模糊評價矩陣，矩陣中每一行表示一個評價指標，每一列表示一個評價對象，矩陣元素為對應評價指標對評價對象的評價值；確定模糊權重，根據評價指標的重要程度，確定每個指標的模糊權重[16-19]，可通過專家咨詢、模糊層次分析法等方法得出；計算隸屬函數(shù)，將模糊權重轉化為隸屬函數(shù)，以描述每個評價指標對應的權重分布；求解綜合評價，根據隸屬函數(shù)，對模糊評價矩陣的每個元素進行模糊運算，得到綜合評價的模糊結果：對模糊化處理后的結果進行解釋與分析，探討不同指標對結果的貢獻程度，并根據結果提出改進措施或相應的決策[20-22]。

3.1 模糊矩陣的構建

針對評價指標構建模糊矩陣，記一級指標為A={a1，a2，…，an}，總數(shù)用n表示。二級指標記為B={b1，b2，…，bm}，總數(shù)為m。將二級指標對一級指標的隸屬度表示為模糊矩陣R。

對各指標進行評價，將評價結果用評價集 V={v1，v2，…，vn}表示，n是評價結果總數(shù)。

2.2 權重確立

采用層次分析法評價指標集。將選取的水電機組調節(jié)性能指標分層，第一層為總目標，用一個指標表示，按照對目標的影響相關性將指標劃分層次，并且各個層次指標之間滿足支配關系[23]。按照層次劃分的指標結構自上而下形成主導關系，指標結構底層是決策方案，中間層是約束條件。構建好指標結構后，需要依據指標結構對水電機組調節(jié)性能進行客觀綜合評價。為保證評價結果的可說服性，需廣泛閱讀本行業(yè)的學術成果，或者請國內外知名專家對指標依次評級，降低權重的主觀性。對每層的指標兩兩比較，得到指標間的相對重要性，按照指標間相對重要性形成判斷矩陣。判斷矩陣的值按9標度法表示（表1）。

風光接入下水電機組調節(jié)性能判斷矩陣為

形成指標集的判斷矩陣后，計算各個指標的權重，計算式為

將計算得到的指標權重表示為W={w1，w2，…，wn}。為保證指標權重的適用性，將權重歸一化表示，即

式中：wnew為歸一化后的矩陣，即指標集的最終權重；wmin為指標權重未歸一化前的最小值； wmax為指標權重未歸一化前的最大值。

為檢驗指標權重的合理性，對權重進行一致性檢驗，計算一致性指標CR。

式中：RI表示平均一致性指標值，見表2。

2.3 評價值確定

確定各指標權重W和模糊矩陣后R后，計算其綜合評定矩陣A：

將A進行歸一化處理，并對其進行最終評定量化：

式中：F為風光接入下的水電機組調節(jié)性能綜合評價值；V T為評價集。

3 結束語

大規(guī)模風光并入電網產生了對水電調節(jié)靈活性的需求。風光的不穩(wěn)定性會導致水電機組調節(jié)動態(tài)特性發(fā)生變化，為量化評估風光接入下水電機組調節(jié)性能，本文構建了風光接入下水電機組調節(jié)性能評價體系，從水電機組波動率、爬坡率、最短啟停時間、響應時間、最大波動幅度、機組額定容量、一次調頻響應速度、一次調頻穩(wěn)定性、超調量、水頭損失等方面構建評價指標，運用模糊綜合評價法構建評價體系以評價水電機組調節(jié)性能。研究成果為風光并網奠定了一定的理論基礎。

參考文獻：

[1]尚欣. 水電機組綜合性能評估方法與運行優(yōu)化研究[D].武漢：武漢大學，2019.

[2]郭定宇. 基于階次分析的水電機組開機狀態(tài)評價方法[D].武漢：武漢大學，2019.

[3]程遠楚，陳婉，楊為城，等.水電機組一次調頻性能評價探討[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2011，35（6）：23-26，43.

[4]申建建，王月，程春田，等.水風光互補系統(tǒng)靈活性需求量化及協(xié)調優(yōu)化模型[J].水利學報，2022，53（11）：1291-1303.

[5]張彬橋，楊洋，劉雷，等.基于改進AHP及云模型的水輪機調節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)評價[J/OL].人民長江，[2024-01-14].http：//kns.ckni.net/kcms/detail/42.1202.TV.20231016.1724.002.html.

[6]熊濤，周建中，付文龍，等.基于模糊層次分析法的抽水蓄能機組調速系統(tǒng)狀態(tài)綜合評估[J].水電能源科學，2016，34（9）：170-172.

[7]郭永政，王煥河，付文龍，等.基于灰色層次分析法的抽水蓄能機組油系統(tǒng)狀態(tài)綜合評估[J].水電能源科學，2022，40（8）：165-168.

[8]唐小波. 高水頭大型水電機組調節(jié)性能提升研究與應用[C]//中國水力發(fā)電工程學會梯級調度控制專業(yè)委員會2023年年會論文集.重慶，2023：85-94.

[9]段然. 復雜工況下水電機組狀態(tài)評估及劣化趨勢預測方法研究[D].武漢：華中科技大學，2022.

[10]李歡歡. 水輪發(fā)電機組安全評價及其調節(jié)特性對互補發(fā)電效益影響研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2021.

[11]吳鳳嬌. 混流式水輪機調節(jié)系統(tǒng)的非線性狀態(tài)預測與穩(wěn)定控制研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2019.

[12]許顏賀. 抽水蓄能機組調速系統(tǒng)參數(shù)辨識及控制優(yōu)化研究[D].武漢：華中科技大學，2017.

[13]謝加榮，蔡衛(wèi)江，邢紅超，等.抽水蓄能機組調速系統(tǒng)健康狀態(tài)評估[J].水電能源科學，2020，38（4）：134-137，196.

[14]王濤，黃海，馬龍浩，等.基于層次分析-模糊綜合評價法的隧道爆破效果評估[J].工業(yè)建筑，2023，53（增刊2）：592-595.

[15]董怡華，張雪瑩，張新月，等.基于層次分析-模糊綜合評價法的遼河流域農田面源污染治理技術評價[J].環(huán)境工程，2023，41（12）：150-157.

[16]張少露.基于模糊評價法構建小型水庫標準化管理評價體系[J].水資源開發(fā)與管理，2023，9（6）：51-55.

[17]胡宇浩. 基于SCADA數(shù)據的風電機組健康狀態(tài)評價及故障預警[D].北京：華北電力大學，2023.

[18]湯烈超，劉雄潔，趙鑫.基于AHP-模糊綜合評價法的城市軌道交通車站行車值班員能力綜合評價研究[J].運輸經理世界，2023（13）：7-10.

[19]史瑞靜，樊小朝，竟靜靜.新疆光伏利用水平綜合評價指標體系研究分析[J].水力發(fā)電，2023，49（6）：77-82.

[20]牛廣利，胡雨新，胡蕾，等.工程安全綜合評價模型研究及數(shù)字孿生應用[J/OL].人民長江，[2024-01-14].http：//kns.ckni.net/kcms/detail/42.1202.TV.20240105.1709004.html.

[21]張磊，李延，谷思庭，等.新型電力系統(tǒng)配電自動化安全可信防護模型及評價體系[J].微電子學與計算機，2023（12）：70-80.

[22]武曼曼，李俊宏，李林林.水利工程社會影響后評價指標體系構建及應用[J].水電能源科學，2024（1）：88-92.

[23]王晗玥，付樂融，劉星，等.風電場站等值模型綜合評價體系[J/OL].電力自動化設備，[2024-01-14] .http：//doi.org/10.16081/j.epae.202312004.

Evaluation Method for Regulation Performance of Hydropower Unit Integrated with Wind and Photovoltaic Power

WANG Lei1，2，WANG Pei3，ZHANG Fangqing3，GUO Jiang3

（1.Joint Laboratory of Water-Wind-Solar Multi-energy Complementation，Wuhan 430014，China；2. China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；3. School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：In response to carbon peaking and carbon neutrality policy，the proportion of wind and photovoltaic power in the grid will increase. By 2050，the total installed capacity of wind and photovoltaic power is estimated to account for 70% of China's power supply. To ensure the stable operation of the grid after wind power integration，it is necessary to utilize hydropower resources for balancing. The volatility of wind and solar power requires frequent involvement of hydroelectric units for regulation，which changes the dynamic characteristics of hydroelectric unit regulation. To quantitatively evaluate the regulation performance of hydropower units integrated with wind and photovoltaic power，we? established an evaluation system for the regulation performance of hydropower units. First，we constructed an index system that reflects the regulation performance of hydropower units. Subsequently，by using the fuzzy comprehensive evaluation method，we comprehensively evaluated the regulation performance of hydropower units integrated with wind and photovoltaic power. The proposed method in this paper provides theoretical support for the grid connection of wind and photovoltaic energy，and contributes to the development of hydro-wind-solar energy complementary integration.

Key words：hydro-wind-solar energy complementary；hydropower units；adjustment performance；evaluation system；fuzzy comprehensive evaluation method

基金項目：湖北省科技重點研發(fā)計劃項目（2022AAA007）

作者簡介：汪 磊，男，工程師，本科，主要研究方向為多能互補系統(tǒng)關鍵技術。E-mail：wang_lei10@ctg.com.cn